JPH02263847A - 熱伝導性セラミック／ポリマー複合体 - Google Patents

熱伝導性セラミック／ポリマー複合体

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JPH02263847A
JPH02263847A JP63323196A JP32319688A JPH02263847A JP H02263847 A JPH02263847 A JP H02263847A JP 63323196 A JP63323196 A JP 63323196A JP 32319688 A JP32319688 A JP 32319688A JP H02263847 A JPH02263847 A JP H02263847A
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キャロル　アン　レイサム
Michael F Mcguiggan
マイケル　フランシス　マッグィーガン
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は電気部品用伝熱材料として有用な熱伝導性材料
に関する。特に、本発明は新規なセラミツポリマー組成
物に関し、これは電気部品を印刷回路板に、高出力部品
例えばトランジスタをヒートシンク、積層板、電気部品
用ハイブリッド基板に付着するための接着剤としておよ
び、最後に熱の散逸が包封剤の厳格な要件である集積回
路で用いる包封組成物として使用できる。
（従来の技術） 今日のマイクロ回路の回路密度の著しい増大は発熱に伴
う問題を生ずる。マイクロ回路の信頬性は発生した熱の
散逸能により直接影響される。熱を発生する電気部品は
、適切に機能するためには、熱を除く手段をもたなけれ
ばならない。熱の散逸の問題を軽減するための多数の試
みがなされており、これらは熱の散逸を助けるためのセ
ラミック充填材で満たされたポリマーで、基板に該電気
部品を接着または包封することを含む。この種の材料の
具体例は米国特許第３．９０８．’０４０号および同第
４，２６５，７７５号に見出すことができる。これら特
許の各々は、内部に熱散逸性セラミック充填材を含む種
々のポリマー材料およびその電気部品の包封剤もしくは
接着剤としての利用を開示している。本発明は顕著な熱
伝導（熱散逸）性により特徴付けられる改良された熱伝
導性ポリマー複合材に関する。
（発明が解決しようとする課題） 本発明の第１の目的は良好な熱散逸特性をもつ新規な熱
伝導性ポリマー複合材を提供することにある。
本発明のもう一つの目的は１０〜２０Ｗ／ｍ’にの範囲
の熱伝導度をもつ新規な熱伝導性複合材を提供すること
にある。
本発明のその他の目的並びに利点は一部は以下の記載に
示され、また一部は以下の記述から明らかとなり、また
本発明の実施により教示し得る。
これらの本発明の目的並びに利点は特に上記特許請求の
範囲に指摘された手段および組合せにより実現かつ達成
し得る。
（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために、かつ具体化される本発明の
目的に従って、本発明の熱伝導性ポリマー組成物はポリ
マー物質と、メディアン粒径１３０〜２６０μをもつ熱
伝導性無機充填材との混合物を含む。更に該充填材の粒
度分布は、小さな粒子（中央値（Ｍ；メディアン粒径）
−６０μ以下の粒子）の割合対大きな粒子（Ｍ＋６０μ
以上の粒子）の割合の比が０．６０よりも大きいような
ものでなければならない。
本発明の好ましい態様において、該無機充填材は９８％
以上、より好ましくは９８．５％より大きな純度をもつ
セラミック物質である。
更に好ましい態様において、該無機充填材は板状セラミ
ック粉末である。
本発明の更に好ましい態様において、ポリマーマトリッ
クス複合材の熱伝導率はＬＯＷ／ｍ’により大きく、好
ましくは１０〜２０Ｗ／ｍ’にの範囲である。
本発明の別の態様において、該ポリマー組成物の製法は
ポリマーマトリックスおよび上記特性の熱伝導性充填材
を選択し、これら材料を低剪断条件下で混合し、得られ
る複合材（混合物）を高温、高圧下で硬化する工程を含
む。
本発明の新規な複合材は公知のポリマー複合材に比して
著しく高い熱伝導率を有している。加えて、この複合材
は加工が極めて容易であり、かつこれらが不活性な充填
材を含んでいることからエレクトロニクス用途において
イオンマイグレーションの恐れが低い０本発明の複合材
が高い熱伝導率を有していることにより、これら複合材
を用いた電子部品の寿命が大幅に伸び、かつこれら電子
部品の破壊的損傷を実質的に回避できる。
以下本発明の好ましい態様につき詳しく述べる。
本発明の組成物は無機充填材およびポリマー担体即ちマ
トリックスを含む、好ましくは、該無機充填材は窒化硼
素、窒化アルミニウムおよび炭化珪素などのセラミック
材料から選ばれる。しかし、他の熱伝導性物質、例えば
銀なども本発明を実施する上で用いることができるもの
と理解すべきである。更に、この充填材は板状または層
状粉末であって球状でないことが好ましい、最も好まし
くは、該板状充填材は３〜４０、好ましくは１０〜３０
、最も好ましくは１５〜２５のアスペクト比をもつべき
である。
ポリマー担体物質は熱可塑性または熱硬化性物質であり
得る。熱硬化性物質の典型例はエポキシ樹脂、シリコー
ン樹脂、フェノール樹脂、ポリエステル類、ポリアミド
類およびアクリロニトリル樹脂などである。ポリエチレ
ン、アクリル樹脂、ビニル樹脂およびフルオロカーボン
樹脂などの熱可塑性材料が本発明の実施にとって適して
いると考えられる。典型的には、担体物質は一５０℃〜
１５０℃の温度で安定でなければならない。
セラミック充填材は１３０〜２６０の範囲のメディアン
粒径をもち、特定の粒度分布を満たすべく注意して特徴
付けすべきである０本発明に固有の結果を得るためには
、粒度分布は、小さな粒子（中央値Ｍ−６０μよりも小
さな径の粒子）の割合対大きな粒子（Ｍ＋６０μよりも
大きな径の粒子）の割合の比が０．６０よりも大きくな
るようなものでなければならない、この関係は代数的に
は以上のように述べることができる。
ここで“％゛は上記メディアン粒径よりも大きなまたは
それ以下の粒子の重量％を表し、Ｍはμ単位で表したメ
ディアン粒径である。
本発明の更に好ましい態様においては、熱伝導性充填材
の表面積は１０ｎｆ／ｇ未満、好ましくは５ｒｄ／ｇ未
満である。低い表面積は高い熱伝導率の複合材を与える
ことがわかった。
更に好ましい本発明の態様において、セラミック充填材
は高い純度をもつべきである。特に、セラミック充填材
は少なくとも９８％の純度、最も好ましくは少なくとも
９８．５％の純度をもつべきである。例えば、セラミッ
ク充填材として窒化硼素粉末を用いる場合、少な（とも
９８％の硼素と窒素、および多くとも２％の不純物、最
も好ましくは少なくとも９８．５％の硼素および窒素を
含むべきである。
この複合材中のセラミック充填材の体積濃度は特に制限
はない、熱伝導率はポリマーマトリックスに対して５０
容量％の充填材を用いることにより最適化できる。しか
し、２５容量％の充填材を含む複合材は、本発明の実施
において十分に良好な熱伝導率をもつことが立証された
。好ましくはこの複合材中の充填材の容積％は７５〜ｌ
Ｏ％の範囲で変えることができる。
本発明の更に別の態様では、ポリマー複合材の製法はポ
リマーマトリックスを選択し、かつ上記のようなメディ
アン粒径および粒度分布をもつ熱伝導性無機充填材をこ
のマトリックスに加えることを含む０次いで、得られた
混合物を低剪断条件下で混合する。この条件は、本発明
の目的に対して、ポリマーマトリックスに添加する無機
熱伝導性充填材の元の形状を損傷もしくは崩壊するには
不十分な速度で混合するものとして規定される。
低剪断条件下での適当な混合手段はロスミクシング社（
Ｒｏｓｓ　Ｍｉｘｉｎｇ　Ｃｏ、）により製作されてい
る二重遊星型ミキサーである。充填材とポリマーマトリ
ックスを混合した後、生成する複合材を高温高圧下で硬
化する。
本発明の複合材の硬化または加工に使用する温度は担体
即ちマトリックスとして用いられたポリマー系および該
複合材の最終用途により支配されよう０例えば、電子部
品用の接着剤として使われるエポキシ窒化硼素複合材は
周囲温度〜３００℃の範囲の硬化温度を必要とする。他
方、プリントワイヤボードまたは基板構造に用いられる
フルオロカーボン／窒化硼素複合材はかなり高い加工温
度（即ち、４５０℃）に耐えなければならない。
本発明の実施に際し、この複合材の硬化または加工温度
は、該複合材に用いられる種々のポリマー担体およびそ
の最終用途に応じて５０〜５００℃の範囲で変えること
ができる。
この複合材の硬化の際に印加する圧力は熱伝導率が増す
上で有利である。例えば、少なくとも２０ｐｓｉ、好ま
しくは４０ｐｓｉより大きな圧力がこの複合材の硬化の
際に使用される。
他の添加物、例えば公知の可塑剤、膨潤剤、柔軟剤、カ
ップリング剤、などを、セラミック充填材と共に用いて
、特殊用途の要求する特°性を付与することができる。
これら公知物質の選択は当分野で周知であり、本発明の
一部を構成しない。
（実施例） 本発明の実施を更に説明するために、以下の実施例を提
示する。
実施例１ エポキシ、マスターボンド（Ｍａｓｔｅｒｂｏｎｄ）　
Ｅ　Ｐ１１０Ｆ６（マスターボンド社（Ｍａｓｔｅｒｂ
ｏｎｄ　Ｃｏ、）により製造）を製造業者の指針に従っ
て調製した。
即ち、１００部の樹脂（成分Ａ）を２００部の硬化剤（
成分Ｂ）と混合した。３．３８　ｇの窒化硼素粉末（特
性については第１表参照）を、ロスミクシング社（Ｒｏ
ｓｓ　Ｍｉｘｉｎｇ　Ｃｏ、）により製作されている二
重遊星型ミキサーを用いて、低剪断条件下で１、５０　
ｇのエポキシ中に分散した。このサンプルを１３５℃、
４０ｐｓｉにて２時間、径０．５インチの円筒状グイ中
で硬化させた。この硬化した棒状体を、厚さ約２ｆｌの
円板に切断し、レーザーフラッシュ法により熱拡散につ
き分析した。
次いで、これから比熱および密度を用いて熱伝導率を計
算した。結果については第２表の粉末Ａ（５０容量％）
参照。
実施例２ 実施例１の手順を繰返した。尚、粉末Ｂを用いた。粉末
Ｂの特性および得られた結果については以下の第１表お
よび第２表参照。
実施例３ 実施例１の手順に従った。但し、粉末Ｃを用いた。粉末
Ｃの特性および得られた結果については第１表お゛よび
第２表参照。
実施例４ 実施例１の手”順を繰返した。但し、粉末りを用いた。
粉末りの特性および得られた結果については第１表およ
び第２表参照。
実施例５ 実施例１の手順を繰返した。尚、粉末Ｅを用いた。粉末
Ｅの特性および得られた結果については第１表および第
２表参照のこと。
実施例６ 実施例１の手順に繰返した。但し、粉末Ｆを用いた。粉
末Ｆの特性および得られた結果については以下の第１表
および第２表参照。
９８．５ ９８．５ ９８．５ ９５．０ ９８．０ ９９．０ ０．８０ ０．４４ ０．８０ ０．９３ １．２０ ２．８ ８．９ ３．２ ４．５ ２．１ １１人：　　　　　エポキシ 窒化硼素粉末　熱伝導率（Ｗ／ｍ”Ｋ）Ａ　　　　　　
１８．３ Ａ　　　　　　１１．９ Ｂ４．３ ０６．３ Ｄ　　　　　　　８．Ｏ Ｅ３．６ Ｆ　　　　　　１４．０ への 窒化硼素（容量％） 上記第１表および第２表に示した結果から容易に理解さ
れるように、本発明の実施により極めて優れた熱伝導率
を有する複合材が得られる。メディアン粒径が１３０〜
２６０μの範囲内にあり、かつ上記式の粒度分布が０．
６０より大きいことが本発明の複合材の要件である。更
に、セラミック充填材の純度は９８％以上、より好まし
くは９８．５％以上である。
本発明の好ましい態様の上記々載は、例示並びに記載の
目的で示されたものである。これらは本発明を記載した
そのままの形状に何等制限するものではな（、上記教示
に照して、多くの変更並びに改良が明らかに可能である
。これらの態様は本発明の実際の応用において、その原
理を最もよく説明し、もって他の当業者が、使用せんと
する粒子に適したものとしての様々な改良を行い、種々
の態様において本発明を最も良く利用することを可能な
らしめるために記載されかつ選ばれたものである０本発
明の範囲は上記特許請求の範囲によって規定される。

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）ポリマーと熱伝導性充填材との混合物を含み、該
    充填材が約１３０〜２６０μのメディアン粒径をもち、
    かつ以下の式： ％＜（Ｍ−６０）／％＞（Ｍ＋６０）＞０．６０（ここ
    で“％”は該メディアン粒径以下のまたはこれを越える
    粒子の重量％を表し、Ｍはミクロン単位で表わしたメデ
    ィアン粒径を表す）によって特徴付けられる粒度分布を
    有することを特徴とする熱伝導性ポリマー組成物。
  2. （２）該充填材が無機物質である請求項（１）記載の組
    成物。
  3. （３）該充填材がその形状において板状である請求項（
    ２）記載の組成物。
  4. （４）該充填材がＢＮ、ＳｉＣ及びＡｌＮからなる群か
    ら選ばれるセラミック物質である請求項（３）記載の組
    成物。
  5. （５）該充填材の表面積が１０ｍ＾２／ｇ未満である請
    求項（１）記載の組成物。
  6. （６）該充填材の表面積が５ｍ＾２／ｇ未満である請求
    項（５）記載の組成物。
  7. （７）該セラミック物質が少なくとも９８重量％の純度
    をもつ請求項（４）記載の組成物。
  8. （８）ポリマーマトリックス材料および熱伝導性充填材
    を選択する工程、ここで該充填材は約１３０〜２６０μ
    のメディアン粒径を有し、かつ次式：％＜（Ｍ−６０）
    ／％＞（Ｍ＋６０）＞０．６０（但し％およびＭは上記
    定義通りである）で特徴付けられる粒度分布をもつ；該
    ポリマーと充填材とを低剪断条件下で一緒に混合する工
    程および該混合物を高温高圧下で硬化する工程を含む熱
    伝導性ポリマー複合体の製法。
  9. （９）該充填材がＢＮ、ＳｉＣおよびＡｌＮからなる群
    から選ばれる請求項（８）記載の方法。
  10. （１０）該充填材が少なくとも９８重量％の純度をもつ
    ように選ばれる請求項（９）記載の方法。
JP63323196A 1987-12-21 1988-12-21 熱伝導性セラミック／ポリマー複合体 Pending JPH02263847A (ja)

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